Изучение законов внешнего фотоэффекта.

 

Цель: опытным путем проверить законы Столетова и Эйнштейна, определить «красную» границу фотоэффекта, изучить зависимости фототока от интенсивности излучения, приложенного напряжения и от способа освещения фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: установка для проведения измерений, нейтральные и цветные светофильтры, фоторезисторы, вакуумный фотоэлемент.

Описание установки:

 

Рис.1 Схематический рисунок установки

1 – кнопка включения прибора;

2, 4, 6 – цифровое табло, инициирующее силу тока лампы накаливания,

напряжение на фотоприемнике и силу тока фотоприемника соответственно;

3, 5 – ручка регулирования напряжения на лампе накаливания и фотоприемнике соответственно;

7 – кнопка переключения интервалов силы тока;

8 – лампа накаливания;

9 – кассета для светофильтров;

10 – разъем для подключения фотоприемников.

 

Элементы теории.

Внешним фотоэффектом называется испускание поверхностью тела электронов во внешнее пространство под действием падающего на эту поверхность излучения.

Для изучения фотоэффекта используется вакуумный фотоэлемент F (рис.2).

 

 

I

 

 

I нас. ---------

 

U_з 0 U

Рис.2 Рис.3

Этот фотоэлемент включается в цепь источника электрического напряжения. Излучение через прозрачную часть (окно) баллона попадает на катод (К). Испущенные катодом фотоэлектроны под действием электрического поля перемещаются к аноду (А), обеспечивая ток в цепи.

Вольт-амперная характеристика фотоэлемента (рис.3) отражает зависимость силы фототока I от напряжения U при постоянном световом потоке, падающем на катод. При напряжении U = 0 сила тока . Это означает, что даже при отсутствии напряжения часть испущенных катодом электроном достигает анода. Для того чтобы сила фототока стала равной нулю, необходимо на электроды подать задерживающее напряжение U_з. Увеличение ускоряющего напряжения приводит к возрастанию фототока, а затем к его насыщению. При насыщении практически все электроны, испущенные катодом, попадают на анод.

Внешний фотоэффект характеризуется тремя законами.

1. Сила фототока насыщения, а, следовательно, и количество фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности фотокатода, прямо пропорциональны интенсивности падающего излучения, если его спектральный состав остается неизменным (закон Столетова).

2. Скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения.

3. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты монохроматического излучения, вызывающего фотоэффект.

Уравнение Эйнштейна, выражающее закон сохранения и превращения энергии при фотоэффекте, имеет вид

 

(1)

 

где энергия кванта падающего на фотокатод излучения частоты ;

h- постоянная Планка; А- работа выхода электрона из материала фотокатода; E_max - максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Электроны в металле обладают разными энергиями – они располагаются на разных энергетических уровнях. Поэтому даже при монохроматическом облучении катода энергия разных фотоэлектронов неодинакова. Работа выхода А характеризует энергию, необходимую для выхода электрона с верхнего заполненного энергетического уровня. Для выхода электрона с ниже расположенных энергетических уровней необходима энергия, большая чем работа выхода А. Кроме того, часть фотоэлектронов теряет энергию при движении из глубины катода к его поверхности. В уравнении (1) под E_max надо понимать кинетическую энергию наиболее быстрых фотоэлектронов.

Из уравнения Эйнштейна следует, что для каждого металла должна существовать некоторая минимальная частота излучения, при которой еще возможен фотоэффект. Это частота, получившая название красной границы фотоэффекта, определяется из (1) при условии E_max = 0:

 

(2)

Энергию E_max фотоэлектронов можно определить методом задерживающего напряжения. Если на фотоэлемент подать некоторое отрицательное напряжение U, то фотоэлектроны будут тормозиться и электрода А(рис.2) смогут достичь только те электроны, энергия которых ,где е- заряд электрона. Поэтому анодный ток в цепи уменьшится. При некотором значении задерживающего напряжения U_з даже самые быстрые фотоэлектроны не смогут достичь электрода А(рис.2) и анодный ток в цепи прекратится. По закону сохранения энергии

 

, (3)

Тогда из (1) получаем

 

. (4)

 

Таким образом, задерживающее напряжение U_з линейно зависит от частоты n падающего на фотоэлемент излучения.

 

Задание:

Изучение внешнего фотоэффекта.

В разъем для фотоприемника вставить вакуумный фотоэлемент.

1. В кассету вставить нейтральный светофильтр с наименьшей оптической плотностью D. Не меняя нейтральный светофильтр, увеличить напряжение на электродах фотоэлемента, сила тока при этом должна возрастать. При некотором напряжении она достигнет максимального значения после чего перестанет увеличиваться.

Меняя нейтральные светофильтры, получить разные значения тока насыщения для каждого светофильтра. Результаты измерений занести в таблицу и построить графики зависимостей силы тока I от напряжения U.

 

Таблица1

 

2. Вставить в кассету фиолетовый светофильтр, подать напряжение на электроды фотоэлемента. Меняя цветные светофильтры в порядке очередности от наименьшей пропускаемой длины волны до наибольшей зафиксировать значение силы фототока. Выбрать светофильтр, при установке которого была зафиксирована наименьшая сила тока, но не равная нулю. Пропускаемое этим светофильтром излучение с длиной волны , и будет являться «красной» границей или длинноволновым порогом фотоэффекта.

Результаты измерений занести в таблицу 2. Построить график зависимости силы фототока I,mA от длины волны l,нм пропускаемого излучения.

Таблица 2

 

3. Вставить в кассету светофильтр. Изменить полярность фотоэлемента на обратную. При некотором значении напряжения U_з обратной полярности сила тока уменьшится до нуля. Измерив задерживающее напряжение, найти значение максимальной кинетической энергии фотоэлектронов по формуле:

 

Результаты измерений занести в таблицу 3.

Построить график зависимости максимальной начальной кинетической энергии E*10^-19,Дж фотоэлектронов от частоты n*10¹⁴,Гц пропускаемого излучения.

Таблица 3

 

Контрольные вопросы:

1. Какие основные законы внешнего фотоэффекта?

2. Что называется работой выхода электрона из вещества?

3. Чем отличаются между собой вольт-амперные характеристики фотоэлемента, полученные при его облучении светом различных длин волн?

 

Литература:

1. Физический практикум. Под ред. Кембровского Г. С.-Минск: «Университетское», 1986.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука.

Трофимова Т.И. Курс физики. –М.: Высшая школа. 1997.

 

 

Лабораторная работа № 11.

Закон Ома для переменного тока.

Цель: определить сопротивление, емкость и индуктивность в цепи переменного тока.

Оборудование и принадлежности: источник питания, вольтметр, амперметр, активное сопротивление, конденсатор, катушка индуктивности.

ТЕОРИЯ. Переменный электрический ток - это установившиеся вынужденные электромагнитные колебания. Переменным называется ток, сила, направление и (электродвижущая сила)ЭДС которого периодически изменяются. Периодом Т(с) называется время полного колебания ЭДС. Величина, обратная периоду – частота колебаний n (Гц). Переменный ток характеризуют также циклической частотой w=2pn=2p/Т. Циклическая частота определяет число колебаний, которые происходят за 2p секунд. Для городской эдектросети эти параметры имеют следующие значения: n=50 Гц, Т=0,02 с, w=314 с^-1 с отклонением ±1%.

Переменный ток промышленной частоты можно считать квазистационарным, т.е. для него мгновенные значения силы тока во всех сечениях цепи практически одинаковы, так как их изменения происходят достаточно медленно, а электромагнитные возмущения распространяются по цепи со скоростью, равной скорости света. Для мгновенных значений квазистационарных токов выполняются Закон Ома и вытекающие из него правила Кирхгофа.

Мгновенные значения силы тока и напряжения в цепи изменяются по гармоническому закону:

I= I₀ sin (wt+ j_i); U=U₀ sin (wt+ j_u); (1)

где I₀ и U₀ - амплитуды силы тока и напряжения, то есть максимальные по модулю значения, j_i и j_u – их начальные фазы. В общем случае они не совпадают между собой. Приборы переменного тока обычно измеряют эффективные (действующие) значения напряжения и тока, которые равны

I_эф.= I₀/Ö2; U_эф= U₀/Ö2; (2)